全光纖量子通信系統中的高速偏振控制方案*

李申1) 馬海強2)3) 吳令安2)? 翟光杰1)

1)(中國科學院空間科學與應用研究中心空間科學實驗技術研究室,北京 100190)

2)(中國科學院物理研究所,北京凝聚態物理國家實驗室,光物理重點實驗室,北京 100190)

3)(北京郵電大學理學院,北京 100876)

1 引言

量子保密通信作為一個新興的領域是目前國際研究的熱點之一,通信雙方將一個真隨機數比特序列加載在一串單光子上,通過量子信道最終建立相同的密鑰,從而實現量子密鑰分發.通常的實驗系統分為相位編碼和偏振編碼兩種.而無論采用哪種編碼方案,準確控制偏振態直接關系著系統的穩定性和誤碼率.在自由空間的量子保密通信系統中,已有很高速的電光相位調制器可用來實現偏振控制.1992年Bennett等[1]在自由空間的量子保密通信演示系統中,利用泡克耳斯盒實現了光四種偏振態的隨機輸出.但在較為成熟的全光纖量子密鑰分發系統中,通常采用光纖偏振控制器來實現對偏振態的調節與糾正.而傳統的光纖偏振控制器件是一種無源器件,通過對光纖的擠壓來控制輸出光的偏振方向[2,3].這種機械式的控制方法只可用于一般的靜態偏振態的調節,通常可用于相位編碼的全光纖量子密鑰分發系統中,但對于偏振編碼的全光纖量子密鑰分發系統[4],則需要對光子偏振態進行高速的調制,而這種機械式的無源光纖偏振控制器就很難達到精確與高效的控制.其實,偏振控制的研究幾乎是與單模光纖的出現同時開始的,隨著光纖通信的迅速發展,偏振控制技術一直在不斷地更新.1979年,Johnson[5]首先提出了基于電磁擠壓的光纖型偏振控制器.此后相繼出現了電光晶體型[6]、法拉第旋轉型[7]以及延遲耦合型[8]等各種各樣的偏振控制器.1989年Aarts與Khoe[9]研制了一種新型無端偏振控制器,解決了偏振控制的復位問題,為其實用化奠定了基礎.2002年Hirabayashi與Amano[10]研制成功了低壓液晶偏振控制器.2003年Yoshino等[11]提出了高速全光纖偏振控制器.2011年范飛等[12]提出了多功能磁光子晶體太赫茲可調偏振控制器件.盡管如此,對于偏振編碼的量子密鑰分發系統,仍舊需要高速精準的偏振控制器來實現高效的信息加載.所以高速、精確、低成本的偏振控制器仍然是偏振控制的主要研究方向.在量子密鑰分發實驗系統中,為了獲得高速的信息加載,通常采用多臺光源產生各種偏振光然后再利用偏振分束器將這些不同偏振態的光耦合進同一信道中的方法來替代偏振控制器[1314].此方法雖然解決了偏振控制的精準與高效的問題,但它的最大缺點是實現成本非常大,而且控制系統十分復雜,對控制電路的精確度以及同步性要求十分高.所以,基于相位編碼偏振檢測的量子密鑰分發方案[15],我們提出一種結構簡單、成本低的解決光纖中偏振高速控制的方法.此方法不需要多個法拉第鏡,并且可以在一個端口直接輸出各種偏振態的光,無需再進行后續耦合操作.該方法可以對一束恒定的輸入光,通過電調節高效地產生各種不同偏振方向的輸出光.由于該方法采用了電控制,工作速度取決于電控裝置的工作速度,所以不僅可以工作在高速狀態,而且可以精確地控制輸出光的偏振方向,避免了機械控制帶來的弊端.

2 理論原理

偏振光最一般的形態是橢圓偏振光,線偏振光和圓偏振光都可看作是橢圓偏振光的特例[16].假設光沿z軸傳播,那么一般的橢圓偏振光矢量可看作是沿x軸(水平方向)的線偏振光和沿y軸(垂直方向)的線偏振光的合成.

其中,EHx,EHy分別表示水平線偏振光在x,y軸上的投影,EVx,EVy分別表示垂直線偏振光在x,y軸上的投影,E0x,E0y分別表示水平和垂直偏振光的振幅,ω為光的圓頻率,φx,φy分別為水平和垂直線偏振光的相位.

略去公因子 e-iωt,則此橢圓偏振光矢量可用列矩陣表示為

由(3)式可見,只要通過適當地改變相位差φ和振幅比E0就可以獲得一系列我們想要得到的偏振光.

在量子密鑰分發的眾多協議中,Bennett與Brassard在1984年提出的通信協議(簡稱BB84協議)[17]被認為是最為經典的協議,它的安全性基于量子力學的基本原理,在理論上已被人們證實.其協議的具體操作中需要高速地隨機發送和檢測屬于兩組共軛基的偏振光,一組是線偏振的,一組是圓偏振的,共4種偏振態的光子[18].在本文提出的偏振控制方案中,可令振幅比為E0=1,相位調制器分別加載0,π/2,π和3π/2這四種相位所對應的電壓,即可以分別產生45?線偏振光,右旋圓偏振光,135?線偏振光和左旋圓偏振光.

3 實驗裝置

實驗光路如圖1所示.

圖1 偏振控制方案實驗光路圖,LD,脈沖激光器;PC,偏振控制器;Cir,環形器;PBS-A,PBS-B,偏振分束器;PM,相位調制器;λ/2,半波片;D1,D2,光功率計

3.1 偏振光的產生

在實驗系統中,由脈沖激光器(advanced laser diode systems,PIL131DFB-SM)產生一恒定偏振態的激光脈沖,其波長為1310 nm,脈寬20 ps,重復頻率1 MHz.利用傳統的光纖線圈式結構偏振控制器PC將激光脈沖轉為45?的偏振方向,光通過環形器Cir以后,由偏振分束器PBS-A分成兩束強度相等的偏振方向正交的激光脈沖Λ1和Λ2.為方便起見,定義前者為垂直偏振方向,后者為平行偏振方向.這兩束光經過傳播方向相反但距離相等的光程后,在PBS-A處疊加,形成一個雙向Sagnac環.在這個過程中,相位調制器PM會對垂直偏振方向的激光脈沖Λ1進行相位調制.所采用的電光相位調制器為重慶中國電子科技集團公司第四十四研究所生產,工作于單線偏振狀態,器件的輸入、輸出口均用保偏光纖.我們自制的相位驅動電路,其半波電壓約為4.2 V,選擇0,2.1,4.2,6.3 V電壓可分別實現0,π/2,π,3π/2的相位調制,調制頻率為1MHz,最高調制速率可達2 GHz,精度為10-3rad.由(3)式可知,在PBS-A處兩束光疊加后的結果取決于兩束光的相位差,即PM的調制相位.疊加產生的光脈沖經過環形器Cir輸出.

3.2 生成偏振光的檢測

產生的偏振光用半波片、偏振分束器PBS-B和光功率計D1和D2進行測量.半波片的作用是將光的偏振方向旋轉45?.如表1所示,不同相位差產生的不同方向的偏振光,經過半波片后,偏振方向的變化導致通過偏振分束器PBS-B后,在光功率計測量的結果不同.光功率計D1和D2兩行表示所測得的光強的百分比.

表1 不同偏振光的測量結果

從表1可以看出系統產生的不同線偏振態的光可以通過D1和D2的計數不同反映出來.

4 實驗結果

生成偏振光的檢測結果如圖2所示.從圖2中可以看出,在不同的調制電壓下對應于不同的偏振光的輸出.當相位調制器加載4.2 V的電壓時,會有135?的線偏振光從Sagnac環輸出.到了檢測系統的半波片后偏振態會旋轉45?,變為水平的線偏振光,最后將全部透過偏振分束器由D2探測,D1將不會探測到任何光的輸出.從圖中可以看出,當D1輸出的光功率為0,D2輸出的光功率最大時,對應的相位調制器的調制電壓值恰好是4.2 V,理論與實驗符合得非常好.但由于檢偏光路中兩個光功率計D1,D2的探測效率不同以及偏振分束器PBS-B的兩個輸出端口與光功率計的耦合效率的差異,導致圖中D1光功率的最大值與D2光功率的最大值不同.圖2中D2探測到的最大值為15.00 nW,而此時D1的讀數為0,即光強已小于功率計的探測靈敏度.若按功率計靈敏度為0.01 nW估算,則消光比為-10×lg(0.01/15)=31.76 dB.但實驗中所用的偏振分束器PBS-A的消光比為30 dB,它決定了系統所產生偏振光的最大消光比.根據分析,實驗誤差是系統中各器件以及光纖對光的衰減和探測器的誤差所引起的.綜合考慮,此系統生成偏振光的最大消光比可達30 dB.

圖2 生成偏振光的檢測結果

將此偏振控制方案應用于基于BB84協議的偏振編碼的量子密鑰分發系統中時,只需要將相位差分別調制到0,π/2,π和3π/2,即可以分別產生45?線偏振光、右旋圓偏振光、135?線偏振光和左旋圓偏振光.此方案的偏振控制速率完全取決于相位調制器的工作頻率.目前,市場上商用的相位調制器的工作頻率可達40 GHz,所以此方案最快的偏振控制速率可達到40 GHz.本文中的實驗只是進行一個原理性的驗證.由于受限于實驗室所使用的相位調制器的工作頻率,本文的方案演示只可達到2GHz,但這已能完全滿足目前基于偏振編碼的量子密鑰分發系統中所需的偏振控制速率.

5 結論

本文提出的全光纖的偏振控制方法,采用的是Sagnac環中加電光相位調制的工作方式,通過不同的相位調制而精確輸出各種偏振光,并且實現了單個端口直接輸出各種偏振態的光,無需后續耦合操作.其光路簡單,易于調節,所需器件少,系統穩定性極高.由于本方案是通過電控相位調制器的方法來實現不同的偏振光的輸出,所以系統可以工作在很高的頻率下,無論從偏振控制的精準度上還是控制速率上均可滿足量子通信系統的要求.此外,由于采用全光纖的光路系統,將來可通過集成光學技術實現微小尺寸的封裝,成本低廉.

[1]Bennett C H,Bessette F,Brassard G,Salvail L,Smolin J 1992 J.Cryptology 5 3

[2]Li H W,Wang S,Huang J Z,Chen W,Yin Z Q,Li F Y,Zhou Z,Liu D,Zhang Y,Guo G C,Bao W S,Han Z F 2011 Phys.Rev.A 84 062308

[3]Zhao H,Ma H Q,Li Y L,Wu L A 2005 Acta Sin.Quantum Opt.11 2(in Chinese)[趙環,馬海強,李亞玲,吳令安2005量子光學學報11 2]

[4]Gordon K J,Fernandez V,Townsend P D,Buller G S 2004 IEEE J.Quantum Electron.40 900

[5]Johnson M 1979 Appl.Opt.18 1288

[6]Kidoh Y,Suematsu Y,Furuya K 1981 IEEE J.Quantum Electron.17 991

[7]Okoshi T,Cheng Y H,Kikuchi K 1985 Electron.Lett.21 787

[8]Liu D M,Huang D X,Nie G 1993 Acta Opt.Sin.13 1120(in Chinese)[劉德明,黃德修,聶剛1993光學學報13 1120]

[9]Aarts W H J,Khoe G D 1989 J.Lightwave Technol.7 1033

[10]Hirabayashi K,Amano C 2002 IEEE Photion.Technol.Lett.14 504

[11]Yoshino T,Yokota M,Kenmochi T 2003 Electron.Lett.39 1800

[12]Fan F,Guo Z,Bai J J,Wang X H,Chang S J 2011 Acta Phys.Sin.60 084219(in Chinese)[范飛,郭展,白晉軍,王湘暉,常勝江2011物理學報60 084219]

[13]Liu Y,Chen T Y,Wang J,Cai W Q,Wan X,Chen L K,Wang J H,Liu S B,Liang H,Yang L,Peng C Z,Chen K,Chen Z B,Pan J W 2010 Opt.Express 18 8587

[14]Shao J,Wu L A 1995 Acta Sin.Quantum Opt.1 41(in Chinese)[邵進，吳令安1995量子光學學報1 41]

[15]Ma H Q,Zhao J L,Wu L A 2007 Opt.Lett.32 698

[16]Yao Q J 2002 Optical Tutorial(Beijing:Higher Education Press)p362(in Chinese)[姚啟鈞2002光學教程(北京:高等教育出版社)第362頁]

[17]Bennett C H,Brassard G 1984 Proc.IEEE Internat.Conf.on Computers Bangalore,India,December 10-19 1984,p175

[18]Wu L A 1998 Physics 27 544(in Chinese)[吳令安1998物理27 544]